Coordinación, pensamiento y sistema nervioso

La coordinación de las distintas funciones del organismo, incluido el movimiento, se lleva a cabo gracias al sistema nervioso, formado por el encéfalo (cerebro), la médula espinal y los nervios. El encéfalo y la médula espinal constituyen lo que se denomina sistema nervioso central. El conjunto de todos los nervios (que llegan o salen del sistema nervioso central) recibe el nombre de sistema nervioso periférico.

El encéfalo es un órgano sorprendente y excepcional. Es responsable del pensamiento, la memoria, la identidad de la persona y el resto de aspectos que genéricamente se conoce con el nombre de mente. También controla aspectos tan importantes como la temperatura corporal, la presión sanguínea y la actividad de los órganos internos. De este modo el cuerpo se puede preparar para responder a los cambios que se produzcan en el medio ambiente y también en el organismo para tratar de mantener la salud. En realidad, es tan importante para el ser humano y su supervivencia que en muchas partes del mundo se considera que la muerte cerebral equivale legalmente a la muerte de la persona.

El circuito de la información

La información, tanto del exterior como del interior, llega al sistema nervioso central a través de los nervios. Los nervios están formados por la agrupación de prolongaciones de las células nerviosas, que reciben el nombre de neuronas. Como el impulso nervioso solamente puede ir en una dirección, hay nervios encargados de transmitir la información «de ida» (por ejemplo, la procedente de la vejiga al cerebro) y otros la «de vuelta» (del cerebro a la vejiga con la orden adecuada).

La unidad básica: la neurona

La principal célula del sistema nervioso recibe el nombre de neurona. Todas las neuronas tienen una estructura muy similar y contienen los componentes habituales de todas las células. Su cuerpo es de forma redondeada o piramidal. De este cuerpo parten un conjunto de prolongaciones, como las raíces de un árbol, que se denominan dendritas, y también un tubo largo a modo de eje que se llama axón. Algunos de estos axones miden milímetros mientras que otros pueden tener una longitud de muchos centímetros. En las neuronas que forman parte de los órganos de los sentidos las dendritas pueden partir directamente de los axones.

Estructura básica de una célula nerviosa o neurona. A la izquierda, las dendritas rodean el cuerpo celular. A la derecha, las dendritas salen directamente del axón.

Las dendritas son las encargadas de recibir los estímulos, bien directamente, si forman parte de los órganos de los sentidos, o bien a partir de otra neurona vecina. Una vez recibidos, pasan la información al cuerpo neuronal y de ahí al axón, que se comunicará a su vez con otra neurona o, si es el último de la cadena (axón terminal), lo hará con el órgano efector, normalmente un músculo o una glándula. Los axones neuronales se agrupan formando fibras nerviosas y, a su vez, la agrupación de éstas constituye los nervios.

En condiciones normales, cuando un tejido se daña, las células que lo componen tienden a repararlo multiplicándose. Sin embargo, las neuronas están tan especializadas que no pueden multiplicarse mediante división celular. Esto explica por qué muchas lesiones del sistema nervioso son irreversibles. Por ejemplo, cuando como consecuencia de una lesión medular se produce parálisis en una parte del cuerpo, lo que ocurre es que los mensajes que deberían llegar a los músculos no pueden atravesar la zona lesionada y, en consecuencia, la información necesaria para producir el movimiento no llega a su destino y dichos músculos no se mueven.

En el cerebro, además de las neuronas hay otro tipo de células que se denominan gliales y que ocupan perfectamente el espacio interneuronal. Su misión es ofrecer el soporte estructural que necesitan las neuronas cerebrales y asegurar el aporte nutricional necesario para que el encéfalo funcione de un modo saludable. Se encargan de regular y conseguir que el ambiente que rodea a las neuronas sea el adecuado. Son capaces de reparar ciertas alteraciones del sistema nervioso central después de un traumatismo.

Las conexiones

Para que la transmisión de la información nerviosa sea correcta es necesario que las neuronas estén «conectadas» unas con otras. Estas conexiones reciben el nombre de sinapsis. Son tan pequeñas que cualquier neurona puede presentar miles de sinapsis con las neuronas cercanas. Se estima que el sistema nervioso humano contiene miles de millones de neuronas (sólo el cerebro contiene más de diez mil millones). Si cada una de ellas tiene miles de sinapsis se comprende cómo el sistema nervioso actúa como una tela de araña que recorre todo el organismo.

Esquema ilustrativo del lugar donde se realiza la transmisión de los impulsos nerviosos o sinapsis. La célula que transmite el impulso se denomina presináptica y la que lo recibe, postsináptica.

Puesto que cada neurona se encuentra rodeada por una membrana, cada sinapsis consta de las siguientes partes: la membrana anterior a la sinapsis o presináptica, perteneciente al axón; la membrana posterior a la sinapsis o postsináptica, perteneciente a la dendrita o al cuerpo celular, y el espacio entre ambas, denominado espacio sináptico o hendidura sináptica.

El impulso

Las neuronas generan sus propias señales eléctricas que se denominan potenciales de acción. El potencial de acción es un impulso eléctrico y se produce cuando existe un cambio eléctrico en la neurona. Existen iones cargados eléctricamente dentro y fuera de la célula.

Sus concentraciones son diferentes a cada lado de la membrana celular. Esto hace que aparezca una diferencia de potencial o carga eléctrica alrededor de la neurona. Cuando una célula nerviosa está en reposo esta diferencia de potencial recibe el nombre de potencial en reposo. El interior de la neurona en reposo es eléctricamente más negativo que el exterior. En esta situación se dice que la membrana nerviosa está polarizada.

Cuando existe un estímulo adecuado, se produce una onda que despolariza la membrana. Si el estímulo es suficientemente fuerte se producirá un potencial de acción. Este potencial de acción se moverá a lo largo del axón de la neurona. Los potenciales de acción se propagan por movimiento de los iones sodio y potasio entrando y saliendo de la célula. La entrada de sodio cambia la polaridad de la membrana de la célula (despolarización), la salida de potasio hace que la polaridad vuelva a su estado de reposo (repolarización).

Las señales eléctricas se transmiten más rápidamente en unas neuronas que en otras. Algunos axones presentan una cubierta o vaina de una sustancia grasa, aislante, que se llama mielina, formada por unas células denominadas de Schwann. Esta cobertura presenta unas hendiduras que se llaman nódulos de Ranvier. En los axones con mielina el impulso salta directamente de un nódulo a otro a través de los nódulos de Ranvier en lugar de viajar a lo largo del axón. Esto incrementa la velocidad de la conducción nerviosa.

Cuando el impulso nervioso llega al axón terminal, provoca la liberación de unas sustancias químicas que reciben el nombre de neurotransmisores. Éstos se encargan de estimular la membrana postsináptica y de provocar movimientos en los iones celulares de la siguiente neurona. En ocasiones estos movimientos provocan que el impulso eléctrico se transmita a la siguiente célula nerviosa. A veces los movimientos traen el efecto contrario y la señal queda bloqueada. Se les denominarán potenciales excitatorios y potenciales inhibitorios, respectivamente.

La transmisión de la información a través de la sinapsis es un mecanismo bastante más complejo que la simple estimulación eléctrica. Así, cada señal que atraviesa la sinapsis no necesariamente estimula a la siguiente neurona. Existe un mecanismo de protección del sistema nervioso. Si no existieran potenciales inhibitorios que frenaran la transmisión de la información cualquier mínimo estímulo que ocurriera en el mismo momento en un pequeño grupo de neuronas, y debido a las múltiples conexiones entre ellas, podría desencadenar una descarga neuronal grave e incluso mortal, como una gran crisis epiléptica.

Cuando un impulso nervioso activa una célula muscular se produce una contracción, cuya fuerza dependerá de la cantidad de impulsos por segundo que lleguen al músculo.

Cada neurona recibe ambos tipos de potenciales de otras miles de neuronas próximas. En un momento determinado el voltaje de cualquier neurona refleja el resultado final de miles de impulsos. Si los potenciales excitatorios superan a los inhibidores, la neurona conduce el impulso. Si ocurre lo contrario, la señal no se transmitirá. Una vez transmitido un impulso, la neurona necesitará cierto tiempo para estar de nuevo receptiva. Se denomina periodo refractario. Éste varía con las características de la neurona y del estímulo que se va a transmitir.

Percepción y reacción ante la información

El organismo tiene receptores que responden de modo selectivo ante estímulos ambientales. Así, por ejemplo, en los ojos existen fotorreceptores que responden ante estímulos luminosos, pero no ante sonidos. Cada receptor contiene neuronas sensoriales especiales que ante determinados estímulos externos activan mecanismos que son capaces de generar un potencial de acción, un proceso de despolarización.

Algunos axones hacen sinapsis con células musculares. De este modo, cuando un impulso nervioso activa una célula muscular se genera un potencial de acción que provoca la contracción. La fuerza de la contracción depende de la cantidad de impulsos nerviosos que lleguen al músculo en un segundo. De este modo las fibras musculares individuales son capaces de descodificar el mensaje del sistema nervioso. Con el control de la contracción muscular y de los movimientos del cuerpo, el sistema nervioso establece la respuesta del organismo frente a la información que recibe tanto del interior como del exterior.

El centro de control

El responsable de todo este proceso es el sistema nervioso central, constituido por el encéfalo, contenido en el cráneo y por la médula espinal, un tubo alargado de tejido nervioso que se extiende desde la base del encéfalo y se encuentra protegido por la columna vertebral. El encéfalo controla la actividad del cuerpo y recibe información del interior y del exterior enviando y recibiendo señales a través de la médula espinal, que a su vez se encarga de la conexión con el sistema de nervioso periférico.

Esquema básico de los componentes que integran el sistema nervioso central y detalle de las estructuras del encéfalo.

El encéfalo

El encéfalo humano pesa aproximadamente 1,4 kilogramos. Tiene la forma de un champiñón y está protegido por el cráneo. La parte superior está formada por el cerebro y la parte inferior la forma el tronco del encéfalo que se continúa con la médula espinal. En la parte posterior de la cabeza y situado entre el tronco del encéfalo y el cerebro está el cerebelo.

Anatómicamente, la zona más inferior, formada por el tronco del encéfalo y el diencéfalo, se encarga de los procesos más primitivos y básicos: la relación entre las distintas partes del cerebro y la relación de éste con el cuerpo así como la regulación de las funciones primordiales. El cerebelo se encargará del control del equilibrio y de la coordinación del movimiento. En la parte superior, en el cerebro propiamente dicho, se localizan las zonas del pensamiento y la inteligencia.

El tronco del encéfalo. Está formado por la médula oblongada (con frecuencia denominada bulbo raquídeo), el puente o protuberancia y el cerebelo. El bulbo raquídeo establece la comunicación entre la médula espinal y las partes superiores del cerebro y regula mecanismos esenciales para el organismo: ritmo cardíaco, presión sanguínea y respiración. La zona del puente se asocia con las sensaciones y el movimiento del cuerpo al que contribuye coordinando los impulsos provenientes del cerebelo.

En el tronco del encéfalo se encuentra un conjunto de células nerviosas y de fibras denominadas formación reticular. Algunas zonas de la formación reticular, del hipotálamo y del tálamo estimulan regiones del cerebro y lo mantienen activado y alerta. Estas estructuras y las vías a través de las cuales se comunican con el cerebro se denominan, de modo genérico, sistema de activación reticular. Este sistema filtra la información que llega al cerebro procedente de los órganos de los sentidos. Controla qué sensaciones se procesan y cuáles no llegan a interpretarse.

El diencéfalo. El diencéfalo contiene dos estructuras fundamentales: el tálamo, que es el centro de recepción de todos los sentidos, excepto el olfato; y el hipotálamo, que controla aspectos como el deseo sexual, el placer, el dolor, el apetito, la sensación de sed, la presión sanguínea o la temperatura corporal. El hipotálamo también influye sobre la hipófisis, o glándula maestra, que tiene un papel fundamental en la regulación de la función de la mayoría de las glándulas del sistema endocrino.

El sistema límbico se relaciona con el sentido del olfato y con ciertas respuestas emocionales complejas aunque también tiene un papel fundamental en la regulación de funciones corporales básicas. El sistema límbico incluye estructuras como el hipocampo y la amígdala (dos estructuras muy relacionadas con el aprendizaje y la memoria), el hipotálamo y algunas partes del tálamo.

El cerebro. Desde el punto de vista de la evolución, el cerebro es la parte más novedosa y evolucionada del encéfalo. Participa en las funciones más complejas y se considera la estructura que más separa al hombre de otros animales. Se divide en dos partes conocidas como hemisferios cerebrales. Cada hemisferio controla, en general, la actividad del lado contrario del cuerpo (así el hemisferio izquierdo regula la función del lado derecho del organismo y el hemisferio derecho se encarga de la función del lado izquierdo del cuerpo). Aunque son muy similares, los hemisferios tienen diferencias funcionales. Por ejemplo, en la mayoría de las personas las regiones que controlan el desarrollo y el empleo del lenguaje se localizan en el hemisferio izquierdo, mientras que las zonas que regulan la visión tridimensional y las creaciones artísticas y musicales están en el lado derecho.

Localización esquemática de las principales áreas funcionales del cerebro.

Los hemisferios están formados por un núcleo o parte interna que recibe el nombre de materia blanca, y una capa externa, o corteza, denominada materia gris. La corteza tiene un grosor aproximado de 0,3 centímetros y presenta numerosos surcos que separan a los diferentes lóbulos y circunvoluciones. Ambos hemisferios se encuentran separados por una profunda hendidura denominada cisura longitudinal cerebral, aunque existe conexión entre ellos.

Existe una zona del cerebro que se encarga de coordinar el movimiento. Si esta región se ve dañada se producen parálisis. Otra parte se encarga de controlar la realización de determinadas acciones. Esto hace posible que el ser humano sea capaz de analizar las consecuencias que pudiera tener una determinada acción y así permite actuar mediante comportamientos éticos o morales (decidiendo si finalmente la acción se lleva a cabo o no).

Existen regiones especiales para procesar la información sensorial, como la que llega del oído y la vista. En estos lugares las señales procedentes de los distintos receptores son analizadas e interpretadas. La memoria también tiene su lugar particular en el cerebro e interviene en el procesamiento de tales señales.

Aunque se han identificado numerosas áreas con funciones especializadas, una gran parte de la corteza cerebral no presenta una función motora o sensitiva específica. Se cree que esta zona (la más extensa de todas) participa en actividades mentales complejas.

Protección del encéfalo. El encéfalo queda protegido, no solamente por el cráneo, sino también por tres membranas, o meninges, que lo rodean. La más externa se denomina duramadre (fibrosa), la intermedia aracnoides (como una malla) y la más interna piamadre (la más delicada que se adapta perfectamente a la superficie del encéfalo).

Entre la piamadre y la aracnoides se encuentra un líquido claro y transparente que recibe el nombre de líquido cefalorraquídeo. Es muy importante ya que se encarga de proteger el encéfalo de posibles traumatismos. También aporta nutrientes y recoge productos de desecho procedentes del metabolismo de las neuronas. Aunque relacionados, el líquido cefalorraquídeo y la circulación sanguínea del cerebro se encuentran separados por una barrera, la barrera hematoencefálica, que impide el paso de muchas sustancias tóxicas de la sangre al cerebro, siendo fundamental en el aislamiento del encéfalo.

El encéfalo está formado por un número muy elevado de células (de 100 a 200 mil millones). También está organizado de modo que distintas células e incluso distintas regiones son capaces de llevar a cabo la misma función. Éste es otro mecanismo de defensa importante ya que permite mantener sus actividades incluso con una pequeña región dañada (otras células son capaces de reemplazar las lesionadas).

Cómo funciona el encéfalo. El encéfalo está formado por dos tipos de células diferentes: las células nerviosas o neuronas y las células gliales, también denominadas neuroglía. Las neuronas llevan a cabo las principales funciones del sistema nervioso y las células gliales se encargan de mantener y proteger a las neuronas.

La información se transmite entre las distintas partes del encéfalo y entre éste y la médula espinal a lo largo de una red de neuronas interconectadas. La transmisión de la información entre las neuronas recibe el nombre de neurotransmisión y es, en realidad, un proceso electroquímico. De este modo el encéfalo recibe, analiza y transmite toda la información necesaria para llevar a cabo sus funciones.

El encéfalo está adaptado para que cambios sutiles en el mecanismo de neurotransmisión provoquen respuestas diferentes según las circunstancias. Algunas acciones requieren respuestas instantáneas, como por ejemplo cuando es necesario retirar la mano que se ha colocado sobre una fuente intensa de calor. Para que se produzca esta respuesta son necesarias fibras nerviosas que puedan conducir los impulsos incluso a una velocidad de 100 metros por segundo. Otras actividades, como resolver un problema matemático, pueden requerir mucho tiempo y concentración. Para este tipo de acciones se utilizan otras fibras nerviosas que conducen la señal más lentamente.

Además de por el cráneo, el encéfalo está protegido por tres membranas o meninges y por el líquido cefalorraquídeo, que reduce el impacto de eventuales traumatismos, aporta nutrientes y recoge productos de desecho del metabolismo neuronal.

Otra de las características que hace que las estructuras del sistema nervioso central sean capaces de adaptarse a las circunstancias ambientales es su capacidad para responder a un número muy diferente de mensajeros químicos. Existen más de diez neurotransmisores y más de 50 moléculas que pueden modificar o condicionar la respuesta cerebral. Teniendo en cuenta que pueden liberarse uno o más de estos neurotransmisores, de modo individual o en distintas combinaciones, por cualquiera de los 100-200 mil millones de neuronas, que a su vez se conectan con hasta más 1.000 neuronas vecinas, es evidente que el lenguaje interno del cerebro es extremadamente complejo y las posibles respuestas prácticamente infinitas.

Desde hace mucho tiempo los científicos están intentando elaborar teorías acerca de cómo trabaja el sistema nervioso. Existen datos que apoyan la idea de que el encéfalo está dividido en regiones especializadas. Por otro lado también se dispone de pruebas que determinan que en todo momento funciona como un conjunto y que una región puede realizar distintas funciones.

El estudio del cerebro puede realizarse analizando su actividad eléctrica. Las ondas cerebrales se miden mediante un aparato que las convierte en un gráfico y que se denomina electroencefalograma. El análisis de estos gráficos puede utilizarse para valorar el estado cerebral y la salud del sistema nervioso del individuo y puede también ayudar a los científicos a comprender cómo funciona el cerebro. Sin embargo, su utilidad es limitada ya que solamente puede registrar la actividad eléctrica de una pequeña parte de la superficie del encéfalo. Muchas de las funciones más complejas del cerebro, como aquellas relacionadas con las emociones y con el pensamiento, no pueden ser analizadas de un modo adecuado mediante patrones electroencefalográficos.

El electroencefalógrafo permite estudiar y plasmar gráficamente la actividad eléctrica del cerebro. Mediante el análisis de los gráficos o electroencefalogramas se pueden valorar algunos aspectos del estado de salud cerebral.

La mayoría de los estudios actuales van encaminados a entender el funcionamiento de los sistemas de mensajeros, la búsqueda de las moléculas que regulan las distintas respuestas, la síntesis de los receptores de los neurotransmisores, la recuperación de las fibras nerviosas y la identificación de sustancias que puedan favorecer el crecimiento de estructuras nerviosas. Existe un amplio campo de trabajo que se denomina neuropsicología y que intenta establecer una correlación entre la anatomía y la fisiología del encéfalo y la psicología y el comportamiento.

La médula espinal

La médula espinal es un largo cordón de tejido nervioso que parte del bulbo raquídeo y se extiende hasta la altura de la segunda vértebra lumbar. Está protegida por el armazón óseo de la columna vertebral y también por las meninges y discurre por el interior de las vértebras (conducto raquídeo). En su constitución se distinguen dos zonas bien diferenciadas: la sustancia blanca, externa, y la sustancia gris, interna, y, en conjunto es la responsable de transmitir las órdenes emitidas por el cerebro al resto del organismo y viceversa. Los nervios que llegan a la médula o parten de ella se denominan espinales.

La médula espinal forma parte del sistema nervioso central y discurre por el interior de la columna vertebral, armazón óseo que le sirve de protección. Los nervios que se insertan en ella se denominan espinales.

La red de cableado

El sistema nervioso central transmite sus órdenes a través de una compleja «red de cableado»: el sistema nervioso periférico. Está formado por los nervios sensitivos que parten de los receptores de los órganos de los sentidos y de otros receptores corporales y llevan esta información a las correspondientes estructuras del sistema nervioso central para su procesamiento. También está constituido por los nervios motores que transportan la respuesta desde el sistema nervioso central hasta las glándulas y los músculos para su ejecución.

Los nervios pueden clasificarse por la dirección en la que transportan las señales en nervios aferentes, aquellos que llevan la información hacia el sistema nervioso central y nervios eferentes, los que conducen el impulso nervioso hasta las zonas corporales donde se lleva a cabo la respuesta.

Los nervios espinales están formados por parejas de nervios sensitivos y nervios motores que llegan o parten, respectivamente, de la médula espinal. El componente sensitivo conduce la información a partir de los órganos de los sentidos y de los receptores corporales hacia el sistema nervioso central. El componente motor transmite impulsos nerviosos hacia los músculos.

Representación esquemática de la red de inervación básica del sistema nervioso periférico.

Los nervios craneales son un conjunto de 12 pares de nervios con componentes sensitivos y motores que unen el tronco del encéfalo con estructuras orgánicas más o menos próximas a la cabeza como, por ejemplo, los músculos de los ojos, el diafragma torácico, los oídos, la lengua o la cara.

Los nervios del sistema nervioso autónomo tienen una función motora. Regulan una gran variedad de funciones corporales. Inervan los músculos lisos de los vasos sanguíneos, el músculo cardíaco y los músculos lisos de los órganos del sistema digestivo y respiratorio, entre otros. El sistema nervioso autónomo tiene nervios simpáticos y nervios parasimpáticos. Ambos sistemas realizan funciones contrarias. Así el sistema simpático desencadena la contracción muscular y el sistema parasimpático provoca la relajación. Los nervios simpáticos normalmente preparan al organismo para las emergencias y para las temperaturas extremas, la falta de agua o el esfuerzo físico. En el otro extremo, los nervios parasimpáticos normalmente mantienen las funciones vitales en un nivel básico con un mínimo gasto de energía.